深入了解路由器工作原理：从零开始的简单讲解

简介

在现代网络中，路由器扮演着至关重要的角色。它不仅连接了不同的设备，还确保数据能够准确地传输到目的地。本文将带你深入探讨路由器的工作原理，帮助网络基础小白们理解这一重要设备的基本功能。

路由器的构成

路由器是一种具有多个输入端口和多个输出端口的专用计算机，其任务是转发分组。当路由器从某个输入端口收到分组后，会根据分组的目的地（即目的网络），将该分组从某个合适的输出端口转发给下一跳路由器，直到该分组到达终点。这一过程称为分组转发，是网络层的主要工作。

路由器的两大部分

整个路由器可以划分为路由选择部分和分组转发部分。

1. 路由选择部分：属于控制平面，其核心是路由选择处理机。路由选择处理机的任务是根据所选定的路由选择协议构造出路由表，并定期更新和维护它。
2. 分组转发部分：属于数据平面，由输入端口、交换结构和输出端口组成。

输入端口

输入端口的主要职责是接收和处理分组。这个过程包括以下几层处理：

• 物理层：负责接收比特。
• 数据链路层：按照协议接收并传送分组的帧，将帧的首部和尾部剥去后，分组被送入网络层。
• 网络层：根据分组的目的地址查找转发表，将分组转发到合适的输出端口。

重点：路由选择与分组转发的区别在于，前者涉及多个路由器协同工作，而后者仅涉及单个路由器根据转发表进行数据转发。

转发表与路由表

在讨论路由选择的原理时，我们往往使用路由表这个名词来描述，但实际上，转发表和路由表是有区别的。

• 路由表：包含从目的网络到下一跳（用IP地址表示）的映射，是多个路由器协同工作的结果。
• 转发表：依据路由表计算出来，必须包含完成转发功能所需的信息，如目的网络与相应输出端口和某些MAC地址信息的映射关系。转发表的结构应当使查找过程最优化，而路由表则需要对网络拓扑变化的计算最优化。

实现方式：路由表总是用软件实现的，但转发表可以用特殊的硬件来实现。

分组转发的高效处理

为了使分组转发更高效，通常会将转发表的副本放在每一个输入端口中，这些副本常称为“影子副本（Shadow Copy）”。这种分散化交换可以避免在路由器中的某一点上出现瓶颈。

线速处理：理想情况下，输入端口的处理速率能够跟上线路传送分组到路由器的速率，这种速率称为线速（Line Speed或Wire Speed） 。例如，对于OC-48链路（速率2.5Gbit/s），线速应当达到每秒处理100万以上的分组。

交换结构

交换结构是路由器的关键部分，它负责将分组从输入端口转发到合适的输出端口。为了提高路由器的转发速度，交换结构通常采用以下三种方式之一：

1. 通过存储器：分组被复制到存储器中，再从存储器转发到输出端口。
2. 通过总线：分组通过共享的总线直接传送到输出端口。
3. 通过纵横交换结构：利用交叉结点控制纵横总线的接通或断开，将分组转发到输出端口。

举例：像Cisco公司的Catalyst 12000系列路由器就是采用纵横交换结构，其速率高达60Gbit/s。

输出端口

输出端口负责从交换结构接收分组并将其发送到外部线路上。当交换结构传送过来的分组速率超过输出链路的发送速率时，分组会暂时存放在输出端口的队列中。

重点：分组在路由器的输入端口和输出端口都可能会排队等候处理，提高查表和交换的性能可以避免这一问题。

路由器与交换机的比较

虽然路由器和交换机都是基于存储转发的分组交换设备，但它们的工作原理和应用场景各有不同。

1. 交换机：优点是即插即用，分组过滤和转发速度快。缺点是维护大的MAC地址表和ARP表，且对广播风暴无保护措施。
2. 路由器：优点是能提供智能的路由选择和隔离广播域。缺点是配置复杂，处理时间较长。

应用场景：小网络用交换机，大网络则需结合路由器以提供更好的流量隔离和控制。

三层交换机

三层交换机在逻辑上等同于一个路由器加上支持VLAN的二层交换机。它能方便地在IP层进行多个VLAN的互连，处理速度快，但接口类型单一，支持的路由选择协议较少。

三层交换机的工作原理

当一台主机通过三层交换机与另一个VLAN中的主机进行通信时，三层交换机会在处理第一个IP数据报时，完全与一个普通路由器一样，根据目的IP地址使用最长前缀匹配算法查找路由表，获得下一跳IP地址，并使用ARP获取下一跳IP地址对应的MAC地址，然后将IP数据报转发出去。

重点：三层交换机会将目的IP地址与下一跳MAC地址的映射关系记录在高速缓存中，当后续IP数据报到达时，就不再通过复杂的算法查找路由表，而是直接从缓存中查找相应的下一跳MAC地址进行转发。这种过程被称为“一次路由，多次转发/交换”。

实际应用中的选择

在实际应用中，典型的做法是：

• 局域网内部：使用三层交换机实现广播域的隔离和VLAN间的路由。
• 局域网与广域网互连：使用普通路由器实现不同网络类型的互连。

结论：虽然三层交换机的转发性能比普通路由器要高，但其接口类型单一，支持的协议较少。因此，在需要互连不同类型的异构网络时，仍需使用普通路由器。

结论

本文对路由器的工作原理进行了简明扼要的介绍，帮助基础小白们理解这一关键设备的基本构成和功能。通过对输入端口、交换结构、输出端口以及路由器与交换机的比较的详细讲解，读者可以更清晰地理解路由器在现代网络中的重要作用。

希望这篇文章对你有所帮助，如果你有任何问题或建议，欢迎在评论区留言。感谢你的阅读！
图文来源：《计算机网络教程》第六版微课版